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1. 서 론
최근 산업구조물의 노후화에 따라 기존 구조물의 해체 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 경제성, 안
1) 전북대학교 자원⋅에너지공학과 2) (주)코리아카코
* 교신저자 [email protected] 접수일 : 2018년 9월 7일 심사 완료일 : 2018년 9월 12일 게재 승인일 : 2018년 9월 19일
정성, 환경성 등을 고려한 노후 구조물의 처리 방안에 대한 방법들이 모색되고 있다. 특히 자연재해나 인공 재해로 인해 비정상 하중이 발생한 국부 손상 구조물 의 경우에는 추가적인 붕괴 위험 요소를 내재하고 있 어 급속 전면 해체가 요구된다. 급속 전면 해체가 요 구되는 구조물의 경우에는 발파 해체 공법을 적용하 여, 안전하고 신속하게 구조물을 해체할 수 있으며, 다수의 철골 구조물이 포함되어 있거나 철근 콘크리 트 구조물의 경우에는 발파해체 공법을 적용하기 위 해 성형폭약의 사용이 불가피 할 것으로 보인다. 그러
드로잉 가공 성형폭약용기의 강판절단성능에 관한 수치해석적 연구
민경조
1)
, 박 훈2)
, 오세욱1)
, 박세웅1)
, 석철기2)
, 조상호1)*
3)Numerical Simulation on the Steel Plate Cutting Performances of Bent-Shaped Charge Holder Blasting
Gyeong-Jo Min, Hoon Park, Se-Wook Oh, Se-Woong Park, Chul-Gi Suk, Sang-Ho Cho
Abstract Locally damaged structures caused by earthquake or extraordinary external forces have been required to rapidly be dismantled because of its possibility of additional collapses. Particularly, steel frame structures were demolished by the shaped charge blasting method. Recently a research suggested a shape charge blasting technique which uses bent-shaped charge holder of copper plate and emulsion explosive charge to cut thick steel plates. This study simulated the cutting performance of the bent-shaped charge holder with considering types of explosives, thickness of copper liner and stand-off distances using LS-DYNA software. The shape charge blasting test of a 25mm thickness steel plate were used to calibrate the input parameters of the numerical models. The penetration depth and penetration width were analysed with different types of explosives, thickness of copper liner and stand-off distances.
Key words Explosive demolition, Shaped charge, Metal-jet, Numerical simulation, Penetration depth
초 록 지진 및 예기치 못한 외부하중에 의하여 손상된 구조물의 경우, 2차적인 국부손상 및 이로 인한 붕괴가 발생할 수 있어 발파해체공법에 의한 철거가 우선시 고려되고 있다. 특히 철재로 이루어진 교량 및 구조물의 경 우 성형폭약을 이용한 발파해체기법이 적용되어 오고 있다. 최근에는 구리판을 드로잉 가공한 성형폭약용기에 상용폭약을 장전하여 두꺼운 철판을 절단하는 발파공법이 제안되었다. 본 연구에서는 LS-DYNA 동해석소프트웨 어를 이용하여 드로잉 가공 성형폭약용기와 상용폭약을 적용한 25mm 두께의 철판 절단실험발파를 모사하고 절 단형상 및 깊이를 비교분석하여 적용구성모델의 입력변수를 결정하였다. 해석모델을 이용하여 폭약의 종류, 구리 라이너의 두께, 이격거리의 변화에 따른 철판 내 관통깊이 및 관통 폭을 분석하였다.
핵심어 발파해체, 성형 폭약, 금속 제트, 수치 모사, 침투 깊이
나 대부분의 경우 성형폭약의 절단 성능의 한계와 성 형폭약의 사용과 수급이 제한되어 발파 해체 공법을 적용하지 못하는 경우가 발생하고 있다. 이에 따라, 산업용 폭약의 장전이 가능한 드로잉 가공 성형폭약 용기를 개발하고, 절단 성능을 평가하기 위한 선행연 구(박훈 외, 2018)가 수행된 바 있다.
본 연구는 최적화된 수치해석 모델을 활용하여 강 재 절단용 장약 용기의 개발과 다양한 변수(폭약 종 류, 라이너 두께, 스탠드-오프 비 등)에 대한 강재 절 단 성능을 평가하고 발파설계에 필요한 정보를 얻기 위한 것으로, 상용 유한 요소 소프트웨어인 LS-DYNA를 활용하였다. 강재 절단용 장약 용기를 적용한 성형폭약의 절단 성능 실험 시뮬레이션을 수 행하여, 다양한 변수에 대한 강재 절단용 장약 용기의 성능을 평가하였다.
2. 강재 절단용 성형폭약의 절단 성능 실험 시뮬레이션
본 연구에서는 다양한 조건에서 강재 절단용 장약 용기의 절단 성능 평가하기 위하여, LS-DYNA를 활 용한 강재 절단용 장약용기가 적용된 성형폭약의 절 단 성능 실험 시뮬레이션을 수행 하였다. LS-DYNA 는 상용 유한 요소 하이드로코드로써, 충돌이나 폭발 등에 대한 유체나 고체 재료의 대변형, 대회전, 대변 형률과 같은 상태변화를 시간과 변위에 대한 함수로 연산하는 코드이다. 해석모델에 고체 및 기체연동해석 이 가능한 ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian)해석 기법 이 적용되었다. ALE 해석 기법은 폭발이나 유체 해석
과 같은 대변형이 수반되는 해석에 기존 라그랑지안 기반의 해석 기법을 적용하기 어렵기 때문에 이를 보 완하기 위한 기법으로 활용되고 있다.
2.1 해석 모델
그림 1은 성형폭약의 절단 성능 실험 시뮬레이션을 수행하기 위한 2D 및 3D 해석 모델로서, 강재 절단 용 장약용기의 개발과 절단 성능을 평가하기 위한 선 행연구(박훈 외, 2018)에서 수행한 실험과 동일한 형 상으로 모델링 한 것이다. 해석 모델은 25mm 강판, 구리 라이너, 폭약, 도폭선으로 구성되어 있다.
2차원 해석 모델은 다양한 변수에 대한 성형폭약의 기폭에 의한 금속 제트의 침투 너비 및 깊이를 평가 하고, 3차원 해석 모델은 성형폭약의 기폭에 의한 금 속 제트의 침투 깊이, 침투 너비, Run-up 및 Run- down을 확인하여 실제 실험 결과와 비교하기 위한 목 적으로 모델링하였다.
폭약 종류, 스탠드-오프 비 (장약 용기 너비 대한 이격 거리), 라이너 두께의 변화에 대한 강재의 절단 성 능을 평가하였으며, 이때 적용한 변수는 표 1과 같다.
변 수 조 건
폭약 종류 ANFO, Emulsion, PETN 스탠드-오프 비 1 : 0.5, 1 : 1, 1 : 2
라이너 두께 1.5, 2.5, 3.5 mm 표 1. 강재 절단 실험 시뮬레이션 적용 변수 및 조건
(a) 2차원 모델 (b) 3차원 모델
그림 1. 강재 절단용 성형폭약의 절단 성능 실험 시뮬레이션 모델.
2.2 재료 구성 모델
재료 구성 모델은 외부 하중 및 구속조건 등에 대 하여, 재료의 고유 특성 및 거동을 역학적으로 나타내 는 구성방정식을 의미한다. 본 수치 모사에서는 강판 및 구리라이너의 금속의 탄소성 해석과 동적 거동(변 형률속도 효과)를 모사하기 위하여, Johnson-Cook (JC) 재료모델을 적용하였다. JC 구성방정식에서 항복 응력 는 식 (1)과 같이 표현된다 (Johnson 과 Cook, 1985).
여기서,
(1)
식 (1)에서, A, B, C, m, n은 재료 상수이며, 는 유효소성변형률 이며, 로 정의되며, 기준 변 형률 속도 에 대한 유효 변형률 속도 의 비 이고, T는 시편의 온도, TRoom 및 TMelt 는 실험온 도와 시편재의 녹는점을 의미한다. 구성방정식의 첫 번째 괄호는 유효소성변형률에 대한 경화 효과를 나 타내며, 두 번째 괄호는 유효 변형률 속도에 대한 경 화 효과를 나타낸다. 마지막으로 세 번째 괄호는 열적 연화현상을 나타내며, 본 수치 모사에서는 열적연화현 상은 무시하였다. 이때 강판 및 구리라이너에 적용한 재료모델의 입력 물성은 표 2와 같다.
2.3 상태 방정식
상태방정식은 물질에 대한 압력, 부피, 온도 등의 상태변수들 사이의 관계식을 나타내며, 본 수치 모사 에서는 도폭선 및 폭약의 압력 – 부피 거동을 모사하 기 위하여, Jones-Wilkins-Lee(JWL) 상태방정식을 적 용하였다. JWL 상태방정식에서 폭발압력 P는 식 (2) 와 같이 표현된다(Lee 외, 1968).
여기서,
(2)
식 (2)에서, A, B, R1, R2, 는 재료 상수이며, 는 폭약의 밀도, 는 폭약의 초기 밀도, E0는 초기 단위 부피 당 내부에너지이다. 이 때 도폭선 및 성형폭약에 적용한 재료모델의 입력 물성은 표 3과 같다.
3. 드로잉 가공 성형폭약용기의 강판 절단모사 해석결과
3.1 2차원 모델 시뮬레이션 결과
성형 폭약 기폭에 의해 발생한 금속 제트에 대하여 25mm 강판을 침투 모사한 결과는 그림 2와 같다. 그 림 2는 폭약으로 Emulsion을 적용하고, 라이너 두께가 2.5mm, 스탠드-오프 비가 1 : 1 인 예시로, 도폭선이 기폭 된 이후에 금속 제트가 형성되어 70μs에 강판에 도달한다. 이후에 금속 제트는 강판에 침투하며 190μ s에는 완전히 관통하였고, 이때의 침투 깊이는 32mm,
Material Density (kg/m3)
Young’s modulus
(GPa) Poisson’s ratio
A
(MPa)B
(MPa)
C n m
Steel 7890 207 0.29 175 380 0.06 0.32 0.55
Copper 8960 115 0.31 90 292 0.025 0.31 1.09
표 2. 강판 및 구리 라이너에 적용된 JC 재료 모델의 입력물성 (Johnson 과 Cook, 1985)
Material Detonation velocity (m/s)
Density (kg/m3)
C-J pressure (GPa)
E0
(GPa) A (GPa)
B
(GPa) R1 R2
PETN 8300 1770 33.50 10.10 617.0 16.9 4.41 1.20 0.25
Emulsion 5573 1451 8.401 3.268 385.8 5.04 5.48 1.17 0.25
ANFO 3854 850 3.278 1.731 26.68 3.43 7.03 1.15 0.39
표 3. 도폭선 및 폭약에 적용된 JWL 상태방정식의 입력물성 (Sanchidrián 외, 2015; Dobratz와 Crawford, 1985)
침투너비는 16.2mm로 나타났다. 이 예시의 경우에는 금속 제트의 최고 속도는 1921 m/s이며, 그림 3은 시 간에 따른 금속 제트의 거동을 나타낸 것이다. 이 예 시 이외에 적용한 조건에 대한 해석 결과는 표 4에 나타내었으며, 해석 조건으로 폭약을 각각 ANFO, Emulsion, PETN 등을 사용했을 때 라이너 두께를 1.5∼
2.5mm, 스탠드-오프 비를 각각 1:0.5, 1:1, 1:2로 적용 한 것이다.
3.2 3차원 모델 시뮬레이션 결과
성형폭약의 절단 성능 실험 시뮬레이션의 3차원 해
석 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 2차원 해석 예시 와 동일한 조건으로, 도폭선이 기폭 된 이후에 금속 제트가 형성되어 70μs 에 강판에 도달하였고, 도달 이후에 강판에 침투하여 190μs에는 완전히 관통하였 다. 이때의 침투 깊이는 30mm, 침투너비는 20mm, 금 속 제트의 최고 속도는 1920m/s로 2차원 해석과 거의 동일한 결과를 나타내었으며, 그림 5와 같이 금속 제 트의 Run-up 및 Run-down 구간을 확인하였을 때, Run-up은 115mm, Run-down 은 97mm로 나타났다.
(a) 0μs (b) 10μs (c) 20μs
(d) 30μs (e) 40μs (f) 50μs
그림
3. 시간에 대한 금속 제트의 거동.(a) 0μs (b) 30μs (c) 70μs
(d) 110μs (e) 150μs (f) 190μs
그림
2. 시간에 대한 성형 폭약 금속 제트의 침투 모사(2차원 모델).(a) 0μs (b) 30μs (c) 70μs
No.
폭약 라이너 두께 (mm) 스탠드-오프 비 금속 제트 속도 (m/s) 침투깊이 (mm) 침투너비 (mm)
1 ANFO 1.5 1 : 0.5 1856 14.1 12.0
2 ANFO 1.5 1 : 1 1431 13.0 14.0
3 ANFO 1.5 1 : 2 1341 11.0 15.0
4 ANFO 2.5 1 : 0.5 1568 13.0 17.0
5 ANFO 2.5 1 : 1 1242 10.0 18.0
6 ANFO 2.5 1 : 2 1221 8.0 21.0
7 ANFO 3.5 1 : 0.5 1286 11.0 24.0
8 ANFO 3.5 1 : 1 1083 8.0 23.0
9 ANFO 3.5 1 : 2 925 6.0 25.0
10 Emulsion 1.5 1 : 0.5 2597 32.1 18.0
11 Emulsion 1.5 1 : 1 2205 33.0 17.5
12 Emulsion 1.5 1 : 2 2095 34.0 15.6
13 Emulsion 2.5 1 : 0.5 2205 30.1 17.0
14 Emulsion 2.5 1 : 1 1921 32.0 16.2
15 Emulsion 2.5 1 : 2 1868 31.0 16.9
16 Emulsion 3.5 1 : 0.5 1801 30.7 16.7
17 Emulsion 3.5 1 : 1 1591 31.0 18.5
18 Emulsion 3.5 1 : 2 1555 32.0 17.0
19 PETN 1.5 1 : 0.5 5237 31.0 27.0
20 PETN 1.5 1 : 1 4590 36.0 17.0
21 PETN 1.5 1 : 2 5134 35.0 19.0
22 PETN 2.5 1 : 0.5 4694 37.1 23.0
23 PETN 2.5 1 : 1 4345 37.8 19.0
24 PETN 2.5 1 : 2 4554 38.0 19.0
25 PETN 3.5 1 : 0.5 3911 38.0 24.0
26 PETN 3.5 1 : 1 3810 37.6 18.0
27 PETN 3.5 1 : 2 4397 36.0 17.0
표 4. 25mm 두께 강판 절단 성능 평가 결과
4. 강판 절단 성능 평가에 대한 수치해석적 고찰
본 연구에서는 강재 절단용 장약용기의 절단 성능 평가를 위하여 2차원 및 3차원 해석 모델에 대한 절 단 성능 실험 시뮬레이션 수행하였다. 본 연구에서 2 차원 해석 모델을 대상으로 한 절단 성능 실험 시뮬 레이션으로부터 다양한 변수를 고려한 금속 제트의 침투 깊이 및 침투 너비를 획득하였으며, 3차원 해석 모델을 대상으로 한 시뮬레이션으로부터 금속제트의 침투 깊이 및 침투너비, Run-up 및 Run-down 구간을 확인하였다.
4.1 적용 구성모델의 강판 절단모사 유효성에 관한 고찰
성형폭약의 강재 절단 성능 실험 수치 모사로부터 획득한 침투 깊이, 침투 너비, Run-up 및 Run-down 구간의 결과 데이터를 활용하기 위해서는, 수치 모사 결과와 실험 결과를 비교하여 검증하는 것이 필수적 이다.
본 연구에서는 수치 모사 결과와 실험 결과를 비교 하기 위하여, 선행연구(박훈 외, 2018)에서 수행한 실 험과 비교 하였다. 선행연구에서 수행한 실험은 폭약 이 Emulsion이고, 구리 라이너 두께가 2.5mm, 스탠드- 오프 비가 1 : 1이며, 이에 따라 획득한 결과는 침투 깊이는 40mm, 침투 너비는 20mm, Run-up 구간은 90mm, Run-down 구간은 88.5mm이다.
본 연구에서는 같은 조건으로 2차원 및 3차원 모델 에 대한 강재 절단 실험 시뮬레이션을 수행하였으며,
(d) 110μs (e) 150μs (f) 190μs
그림
4. 시간에 대한 성형 폭약 금속 제트의 침투 모사(3차원 모델).그림 5. 금속 제트 Run-up 및 Run-down 구간 확인.
앞서 언급한 것과 같이 2차원 모델에서는 침투깊이가 32mm, 침투너비는 16.2mm로 실험 결과 대비 깊이는 80%, 침투너비는 70%의 결과를 나타내었다. 또한 3차 원 모델에서는 침투깊이가 30mm, 침투너비가 20mm, Run-up은 115mm, Run-down은 97mm로 실험 결과 대비 침투깊이는 75%, 침투너비는 100%, Run-up 구간 은 127%, Run-down 구간은 109% 수준으로 나타났다.
실험 결과 대비하여 수치 모사 결과와 차이를 보이 는 것은 침투 수치 모사 시 강판의 양단이 실험과 달 리 고정되어있어 발생한 오차라 판단되며, 수치 모사 로부터 예측된 결과는 유효하다 판단하였다.
4.2 적용 폭약류 별 금속 제트의 침투 깊이 및 침투 너비의 변화
수치 모사로부터 획득한 금속 제트의 침투 깊이 및 침투 너비는 향후 강재를 절단하는데 있어, 절단 깊이 및 너비를 예측하는 가이드라인을 마련하는데 중요한 데이터베이스로 활용 될 수 있어, 다양한 조건에서의 금속제트의 거동을 고찰하는 것이 매우 중요하다.
그림 6은 폭약으로 ANFO 를 사용하였을 때, 라이
너 두께 별 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침투 너비를 나타낸 그래프이다. ANFO를 사용하였을 때 라이너의 두께가 두꺼워질수록 금속 제트의 속도가 감소하여 침투 깊이가 감소하고 침투 너비가 증가하 였다. 또한, 스탠드오프 비가 증가될수록 금속 제트의 속도가 감소하여 침투 깊이가 감소하고 침투 너비가 증가하였다.
그림 7은 폭약으로 Emulsion 을 사용하였을 때, 라 이너 두께 별 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침 투 너비를 나타낸 그래프이다. Emulsion을 사용하였을 때 라이너의 두께가 두꺼워질수록 금속 제트의 속도 가 감소하여 침투 깊이가 감소하고 침투 너비가 증가 하였으나, 침투 깊이 및 침투 너비에는 큰 영향은 없 었다.
그림 8은 폭약으로 PETN을 사용하였을 때, 라이너 두께 별 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침투 너 비를 나타낸 그래프이다. PETN을 사용하였을 때 라 이너의 두께가 두꺼워질수록 금속 제트의 속도가 감 소하여 침투 깊이가 감소하고 침투 너비가 증가하였 다. 그러나 스탠드-오프 비의 변화에 따라 금속제트의
(a) 라이너 두께 : 1.5 mm (b) 라이너 두께 : 2.5 mm
(c) 라이너 두께 : 3.5 mm
그림 6. 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침투 너비 (ANFO).
(a) 라이너 두께 : 1.5 mm (b) 라이너 두께 : 2.5 mm
(c) 라이너 두께 : 3.5 mm 그림 7. 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침투 너비(Emulsion).
(a) 라이너 두께 : 1.5 mm (b) 라이너 두께 : 2.5 mm
(c) 라이너 두께 : 3.5 mm
그림 8. 스탠드-오프 비에 대한 침투 깊이 및 침투 너비(PETN).
속도가 감소하였으나, 침투 깊이 및 침투 너비에는 큰 영향은 없었다.
상기의 결과에서, 폭약으로 Emulsion 및 PETN 을 사용하였을 때와 달리 ANFO를 사용했을 때 반대의 거동을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 Emulsion 및 PETN와 달리 금속 제트가 강판을 관통하지 못하여 나타난 결과로서, 스탠스-오프 비가 커질수록 금속 제 트의 속도가 감소하여 관통 깊이 감소와 관통 너비 증가를 나타낸 것이라 판단하였다.
최종적으로 수치 모사를 통하여 획득한 위의 강판 절단 성능 실험 수치 모사 결과에 대하여, 각각의 조 건에 대한 회귀직선을 결정하여 성형폭약의 침투 깊 이 및 침투 너비를 예측 가능할 것이라 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 철골 구조물이나 철근 콘크리트 구 조물의 발파 해체 시, 강재 절단에 적용되는 성형폭약 의 강재 절단용 장약 용기 개발과 다양한 변수에 대 한 강재 절단 성능 평가를 수행하기 위하여, 상용 유 한 요소 소프트웨어인 LS-DYNA를 활용 하여 다양한 변수에 대한 강재 절단 실험을 수치 모사하였다.
폭약, 스탠드-오프 비, 구리 라이너 두께의 변화에 대한 강판 절단 성능 시험 시뮬레이션을 2차원 해석 하였으며, 다양한 조건에서의 금속 제트의 침투 깊이 및 침투 너비를 획득하였다. 또한 3차원 해석 모델을 수치 모사하여 금속 제트의 침투 깊이, 침투 너비, Run-up 및 Run-down 구간을 강재 절단 실험과 비교 하였다.
강판 절단 성능 실험에 대한 수치 모사 결과 (폭약 - Emulsion, 구리 라이너 두께 - 2.5mm, 스탠드-오프 비 – 1:1) 와 실험 결과와 비교하였을 때, 2차원 모델에서는 실험 결과 대비 깊이는 80%, 침투너비는 70%의 결과 를 나타내고, 3차원 모델에서는 침투깊이는 75%, 침투 너비는 100%, Run-up 구간은 127%, Run-down 구간 은 109% 수준으로 나타났다. 발생한 오차는 강판의 경계조건에 의한 것으로 판단되며, 수치모사로 획득한 결과는 유효하다 판단하였다. 또한 시뮬레이션 결과에 따라, 다양한 조건에 대해 결정된 회귀직선을 통하여 침투 깊이 및 침투 너비를 예측 가능 할 것으로 판단 된다.
참고문헌
